[论文解读] UAV Secure Downlink NOMA Transmissions: A Secure Users Oriented Perspective

Hui‐Ming Wang, Xu Zhang|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种UAV辅助的下行链路非正交多址（NOMA）系统，通过联合优化用户调度、功率分配和UAV轨迹，在确保潜在窃听者QoS要求用户（QUs）服务质量的前提下，最大化对安全需求用户（SUs）的最小保密速率。该方案在保密速率方面显著优于传统正交多址（OMA），尤其在UAV动态移动性和资源受限条件下表现更优。

ABSTRACT

This paper proposes a secure downlink multi-user transmission scheme enabled by a flexible unmanned aerial vehicle base station (UAV-BS) and non-orthogonal multiple access (NOMA). According to their heterogeneous service requirements, multiple legitimate users are categorized as security-required users (SUs) and quality of service (QoS)-required users (QUs), while these QUs can potentially act as internal eavesdroppers which are curious about the secrecy transmissions of SUs. In such a context, our goal is to maximize the achievable minimum secrecy rate among SUs through the joint optimization of user scheduling, power allocation, and trajectory design, subject to the QoS requirements of QUs and the mobility constraint of UAV-BS. Due to the non-convexity of the problem, an efficient iterative algorithm is firstly proposed, based on the alternative optimization (AO) and successive convex approximation (SCA) methods and along with a penalty-based algorithm to deal with the introduced binary integer variables, to obtain a sub-optimal solution. Then, we propose an SUs-oriented low-complexity algorithm by taking advantage of the inherent characteristics of the optimization problem, which can efficiently reduce the computational complexity and can act as a reasonable initial solution for the previous iterative algorithm to achieve better performance. Finally, the superiority of our proposed scheme compared with the conventional orthogonal multiple access (OMA) one is validated by numerical simulation results.

研究动机与目标

• 解决UAV辅助下行链路NOMA系统中QoS要求用户（QUs）可能作为内部窃听者所带来的物理层安全挑战。
• 最大化安全需求用户（SUs）之间的最小保密速率，以确保保密性能的公平性与鲁棒性。
• 在优化框架中考虑QUs的QoS约束以及UAV-BS的移动性限制。
• 设计低复杂度且迭代的算法，在非凸优化中平衡性能与计算效率。
• 证明NOMA在保密速率方面相较于OMA的优越性，以及其在应对内部窃听威胁时的鲁棒性。

提出的方法

• 在QoS与移动性约束下，构建一个结合用户调度、功率分配与UAV轨迹设计的非凸优化问题。
• 采用交替优化（AO）与连续凸逼近（SCA）方法，通过近似非凸项来迭代求解该非凸问题。
• 引入基于惩罚的方法，以处理用户调度决策引入的二值整数变量。
• 提出一种低复杂度的SUs导向算法，利用问题结构以降低计算负载，并作为迭代算法的初始解。
• 在接收端采用连续干扰消除（SIC）技术，根据信道增益差异解码复用的NOMA信号。
• 建模A2G LoS信道，以利用UAV移动性实现动态信道增益控制，提升频谱效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合优化UAV-BS轨迹与功率分配，以在NOMA下行链路系统中最大化SUs的保密速率？
• RQ2 QoS要求用户（QUs）作为内部窃听者对SUs保密性能有何影响？
• RQ3 飞行周期、发射功率和QoS要求等系统参数如何影响保密速率与UAV轨迹设计？
• RQ4 低复杂度算法能否在降低计算成本的同时实现接近最优的保密性能？
• RQ5 当存在内部窃听者时，NOMA在保障传输安全方面相较于OMA的优越程度如何？

主要发现

• 基于AO与SCA的迭代算法可获得非凸保密速率最大化问题的次优解。
• 低复杂度的SUs导向算法显著降低了计算复杂度，并为迭代算法提供了高质量的初始解。
• 数值结果表明，所提出的NOMA方案在保密速率方面显著优于传统OMA，尤其在UAV动态移动条件下表现更优。
• 随着飞行周期增加，保密性能趋于稳定值，因为UAV-BS在最优位置悬停，表明超过一定时长后增益递减。
• 更高的可用发射功率使UAV-BS能够远离QUs，削弱其窃听能力，从而提升SUs的保密速率。
• 对QUs更严格的QoS要求迫使UAV-BS靠近它们，导致SUs信道质量下降，进而降低保密性能。